化工原理 ---精馏课件

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1
6. 精馏
本章重点及难点内容
掌握双组分理想溶液气液相平衡的各种表达形式; 掌握进料的不同热状况及其对精馏操作的影响; 掌握两组分连续精馏塔理论塔板数的的图解法; 掌握回流比对精馏过程的影响; 了解简捷法求理论板层数的方法; 了解各种类型的塔板的特点及性能,掌握筛板塔的流 体力学性能。
q 线方程,精馏段操作线和提 馏段操作线的交点,但经 过 (xF, xF ) 点。
吸收
V’ I’V
L’ I’L
23
6.3 双组分连续精馏塔的计算
对加料板作热量衡算
F IF+V’IV ’ +LIL=VIV+L’IL’ ∵IV≈IV ’ , IL≈IL ’(条件:恒摩尔流,加料板上) ∴ (V’-V) IV =(L’-L) IL -F IF
理论加料板位置:当进料组成与塔内某处的气液
组成相同,且在该处气液两相恰好处于平衡状态 时,该处既对应着一块理论塔板,同时也是加料 的恰当位置(实际上这样的位置尽管存在,但却 很难确定,一般只能选择在相邻的两块塔板之 间)。
吸收
29
6.3 双组分连续精馏塔的计算
NT计算的方法——逐板计算法、图解法和捷算法
6.6.3 操作线方程
研究相邻两块塔板 气 液组成之间的关系
精馏段——操作方程
对精馏段作物料衡算 馏出液 L x1 L x2 n V yn+1 L
1
2
V y1 V y2
D , xD , ID
V=L+D
V yn+1=L xn+ D xD
L xn
吸收
18
6.3 双组分连续精馏塔的计算
y n1 L D xn xD L D L D
不同q值对操 作线的影响 q值不同改变的 是提馏段的操作线 方程。当进料组成、 < 0 q 回流比及分离要求 一定时,q值的减少 使提馏段操作线越 来越靠近平衡线。
q>1
f 0 < q <1
q=0
q=1
e
xW
吸收
xF
xD
28
6.3 双组分连续精馏塔的计算
6.3.5 NT及加料板位置的确定
NT:理论塔板数,即在一定的操作条件下,为实 现分离工艺的要求,所需的气液平衡级数(每经 过一次气液相平衡,气相浓度增加)。
L 令 R (回流比) D
y n1
R 1 xn xD R1 R1
a
精馏段操作线方程: 表示xn与yn+1之间的关系 是直线关系,斜率为 R/(R+1),截距为 xD/(R+1) xD
吸收
xD R1 b
19
6.3 双组分连续精馏塔的计算
提馏段操作线方程 对提馏段物料衡算 m+1 V’ ym+1 L’ x
道尔顿分压定律
pA P y
吸收
yA yB
xA xB
9
6.1 理想溶液的气液相平衡
相平衡方程

y y
A B
y
x x
A B
1 x x A A
y
x
B
B
1 y
1 x
A
A
A 1 y
A
相对挥发度表示的 相平衡方程
x y 1 ( 1) x
吸收
10
1
实际图解过程
4
2
3
5
xW
吸收
xF
xD
33
6.3 双组分连续精馏塔的计算
说明:
1 ) NT是指精馏塔所需的理论塔板数,其数值 必须指明是否包括塔釜在内(塔釜也相当于一块理论 塔板)。 2)由教材P270 例 7-7可知,进料热状况不同, 所需 NT及进料板位置均不同。
3)随着进料的 q值逐渐减小,精馏塔所需的 NT是逐渐增加的。 4)直接蒸气加热与间接蒸气加热的区别主要体 现在提馏段操作线上,它们分别经过( xW,0)和 ( xW,yW)点,具体详见教材 P271 例 7-8
6.2 精馏原理
6.2.1 精馏工艺
精馏流程 (熟悉相关的概念)
原料液(进料)、 馏出液(产品)、 回流液和釜液; 冷凝器(分凝器、 全凝器)、再沸器 (塔釜加热);
加料板、精馏段和 提馏段
吸收
11
6.2 精馏原理
6.2.2 精馏原理
一次部分气化和部分冷 t 凝 P=定值 D C B A
6.3.2 恒摩尔流的假设
塔顶采用全凝器,塔釜间接加热 离开每块塔板的气液相达到平衡
每段各板上的气液摩尔流量各自恒定(不一定相等)
满足恒摩尔流的 条件


各组分的摩尔汽化潜热相等;
气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略; 塔设备保温好,无热损失。
吸收
17
6.3 双组分连续精馏塔的计算
r C p (t b t F ) L' L IV I F 即 q F IV I L r 1kmol 料 变 为 饱 和 蒸 气 所 需 热 量 进 的 原料液的千摩尔气化潜 热
吸收
24
6.3 双组分连续精馏塔的计算
q值重要的物理意义
1)以1kmol/h进料为基准时,提馏段中的液 体流量较精馏段中液体流量增大的 kmol/h数; 2)对于饱和液体、气液混合物及饱和蒸气 三种进料,q值与进料中的液相分率相等。
L' W ym x m 1 xW L'W L'W
xm 第m块:(xm,ym) m y 1 ( 1) x m
当xm<
xW时,逐板计算完毕
吸收
31
6.3 双组分连续精馏塔的计算
图解法
1
逐板法原理
4 5
2
3
xW
吸收
xF
xD
32
6.3 双组分连续精馏塔的计算
图解法(续)
吸收
2
6. 概述
蒸馏:利用液体混合物各组分挥发度的不同,使 其部分气化,从而达到分离的单元操作
易挥发组分:沸点低的组分,又称为轻组分
难挥发组分:沸点高的组分,又称为重组分
蒸馏的分类
按操作方式分:简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精 馏 按组分数目分:双组分蒸馏及多组分蒸馏 按操作压力分:常压蒸馏、加压蒸馏、减压(真空) 蒸馏
有回流的多次部分汽化、冷凝
xD
具有不同挥发度的组分
所组成的混合液,经多次 进行部分气化和部分冷凝, 使其分离成几乎纯态组分 的过程。
xF
实现的 条件:
回流; 塔釜产生的蒸汽 xw
吸收
14
6.3 双组分连续精馏塔的计算
涉及的主要问题:
全塔物料衡算、恒摩尔流假设、操作线方 程 、q线方程、(最小)回流比 、适宜回流比 、 (最少)理论塔板数、全塔效率、实际塔板数
当xn< xF时,下降液体流到了加料板上,此时该板属于提 馏段。由精馏段操作线与 q线方程求交点( xq,yq ),由 ( xq,yq与( xW,yW )两点确定提馏段操作线方程。
x1 第1块:(x1,y1) y1 1 ( 1) x 1
提馏段
L' W y1 xn xW L'W L'W
m
L’=V’+W L’ xn =V’ ym+1+ W xw
y m 1 L' W xm xW L'W L'W
W , xw , Iw 釜液
吸收
20
6.3 双组分连续精馏塔的计算
由于提馏段下降液体 量L’不易确定,所以提馏段 操作线的实际应用价值不大。 但提馏段操作线一定通过C 点(xW,xW)(间接蒸汽加 热方式) 操作线的应用举例详见 教材P265 例 7-2、例 7-3 c
吸收
15
6.3 双组分连续精馏塔的计算
6.3.1 全塔物料衡算
V
总物料: F=D+W 易挥发组分: F xF=D xD+W xw
应用见P263例7-1
原料液

馏出液 L
D , xD , ID
F , xF , IF

L’
V’ 釜残液 W , xW , IW
吸收
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6.3 双组分连续精馏塔的计算
纯液体的挥发度:该液体在一定温度下的饱和蒸气压。 溶液中各组分的挥发度:该组分在蒸气中的分压和与之 相平衡的液相中的摩尔分率之比。
A
pA pB , B xA xB
相对挥发度:是指溶液中两组分挥发度之比,常以易挥 发组分的挥发度为分子。
A pA B xA
pB xB
d
xW
xD
吸收
21
6.3 双组分连续精馏塔的计算
6.3.4 进料热状况——q 线方程
提馏段操作线不易确定,但可以通过两条操作线的交点 (轨迹)来确定(两点一线) 精馏段操作线:V yn+1=L xn+ 提馏段操作线:
D xD…………………………A
L’ xn =V’ ym+1+ W xw……………………B xF=D xD+W xw ,(C)式为
吸收
4
6.1 理想溶液的气液相平衡
蒸馏是气液两相间的传热和传质过程
气液相平衡关系是指溶液与其上方蒸汽达到相平 衡时,汽液相间组成、温度和压强的关系。 气液相平衡关系是分析蒸馏原理和进行设备计算 的理论基础,过程以两相达到平衡为极限
气液相平衡关系可用 p(分压)— x 或 t — x(或 y )或 x — y 的函数关系或相图来表 示。
q=0 q<0 q>1
e
xF
进料状况 冷液体 饱和液体 气液混合物 饱和蒸汽 过热蒸汽 进料的焓 IF IF<IL IF=IL IL<IF<IV IF=IV IF>IV q值 q>1 q=1 0 < q <1 q=0 q<0
吸收
q线斜率 q/q-1 + 无穷大

0 +
27
6.3 双组分连续精馏塔的计算
吸收
7
6.1 理想溶液的气液相平衡
y — x 图(气液组成关系图) 大多数溶液,平衡线位于对 角线上方,且偏离对角线愈远, 此溶液愈易分离(传质推动力 越大)。 总压变化不大时外压影响可 忽略,但温度的变化对 y—x 平衡线的影响较大。
吸收
8
6.1 理想溶液的气液相平衡
6.1.2 相平衡——相平衡方程
y1>xF>x1
y1——加热原料液时产 生的第一个 气泡的组成。 x1——经过一次气化后 原料剩下的液体的组成。
xw x 1
吸收
xF
y1 yF
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6.2 精馏原理
多次的部分气化和部分冷凝 t
P=定值
y3 y2
B
冷凝器
y1 x2
x3
加热器
A
xF
分离 器
xF
x1
吸收
xm
(y)
yn
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6.2 精馏原理
则交点轨迹:(V’-V)y=(L’-L)x-(DxD+WxW)… C 由全塔物料衡算: F
L' L F y x xF V 'V V 'V
吸收
22
6.3 双组分连续精馏塔的计算
对加料板作物料衡算
V’-V=L’-L-F L' L 令 q F 则有:
F IF
V IV
L IL 加料板
xF q y x q 1 q 1
按操作流程分:连续蒸馏和间歇蒸馏
吸收
3
6.1 理想溶液的气液相平衡
精馏与吸收的对比
操作过程中相态的变化:精馏时两相同时产生,而吸收 是操作前已经是两相; 操作结果的不同:精馏能得到较为纯净的分离产物,而 吸收则必须通过后续的进一步处理才能得到较纯净的物 质; 传质的方向不同:精馏过程中既有气相传质,也有液相 传质,而吸收一般只有气相中溶质分子进入吸收剂中, 属于单向传质。
0 p B: 纯B组 分 在 系 统 温 度 下 的 和 蒸 汽 压 饱
吸收
6
6.1 理想溶液的气液相平衡
6.1.2 相平衡——相图
t — x (或 y) 图(温度—组成图) t4 t3 t2 t1 J A B H 气相区(过热蒸汽) 露点线 气液共存区 泡点线 液相区(冷液)
x1(y1)
重点掌握逐板计算法和图解法,二者实质是一 样的。
逐板法
x1 第1块:(x1,y1) y1 1 ( 1) x1
x2 第2块:(x2,y2) y 2 1 ( 1) x 2
吸收
精馏段
y1 x D
R 1 y2 x1 xD R1 R1
30
6.3 双组分连续精馏塔的计算 xn R 1 yn x n 1 xD 第n块:(xn,yn) y n R1 R1 1 ( 1) x n
吸收
5
6.1 理想溶液的气液相平衡
6.1.1 相平衡——拉乌尔定律
条件: 双组分理想溶液
pA p xA
0 A
p B p xB p (1 x A )
0 B 0 B
双组分理想溶液的气液相平衡关系式:
P p xA 0 pA p
0 B 0 B
p yA xA P
0 A
P: 系 统 的 总 压 强 p 0: 纯A组 分 在 系 统 温 度 下 的 和 蒸 汽 压 饱 A
吸收
25
6.3 双组分连续精馏塔的计算
q值对进料的影响
L F V F L V F L V
L’
V’
L F V
L’
Байду номын сангаасV’
L F V
冷液进料
饱和液体进料
气液混合物进料
L’
V’
L’
V’
吸收
L’
V’
饱和蒸气进料
过热蒸气进料
26
6.3 双组分连续精馏塔的计算
不同 q值对应的 q线方程
f q=1 0 < q <1
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